CC BY
11УДК 711.168
В.В. БАБКОВ, д-р техн. наук, Н.С. САМОФЕЕВ, инженер (volvita@inbox.ru), Д.В. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет
Состояние жилых домов в силикатном кирпиче и реализация программы санации объектов этой категории в Республике Башкортостан
Силикатный кирпич как стеновой строительный материал начал применяться в Республике Башкортостан с начала XX века. Первое предприятие по производству силикатного кирпича (по архивным материалам Уфимской губернии) появилось в 1904 г., тогда как производство керамического кирпича уже в середине 1880 гг. в Башкирии реализовывалось на 9 заводах, из них на 8 — в г. Уфе. Первое производственное оборудование УКСМ (Уфимский комбинат строительных материалов, ныне ОАО «Башкирский кирпич») было представлено одним прессом, двумя гасильными барабанами и двумя автоклавами. Обеспечивали работу предприятия известковый (пос. Александровка) и гипсовый (пос. Новиковка) заводы:, располагавшиеся вблизи г. Уфы. К концу 1920-х гг. жилищный фонд города насчитывал почти 10 тыс. домов. Главным образом, это были одноэтажные деревянные постройки. На всю Уфу приходилось 484 кирпичных здания, и только 41 из них имело три этажа.
Активное применение силикатного кирпича в жилищном домостроении началось после принятия в первой половине 1950-х гг. «Генерального плана реконструкции и развития г. Уфы». Жилые дома в тот период строились в основном по типовым сериям (1-447 и 1-511) из силикатного кирпича с толщиной наружной стены 640 мм в 4—5-этажном исполнении.
В целом развернутая в то время и в последующие годы жилищная программа в значительной степени решила острый дефицит в достаточно комфортных и пригодных для проживания жилых домах для жителей не только Уфы, но и страны в целом.
Объем введенного жилого фонда в период с 1940-х гг. по 1970-е гг. на основе силикатного кирпича в крупных городах Республики Башкортостан оценивается в 18,3 млн м2 общей площади, в том числе в Уфе примерно 6—6,5 млн м2.
На современной территории Уфы сосредоточено более 200 крупных и средних промышленных предприятий, большая часть которых расположена в северной части города. По данным 2011 г., по количеству вредных выбросов столица РБ занимает 9 место по России. Значительная часть жилых домов на основе силикатного полнотелого кирпича расположена в Орджоникидзевском и Октябрьском районах города и, учитывая розу ветров, находится в наиболее неблагоприятной экологической ситуации.
Очевидно, что силикатный кирпич автоклавного твердения, применяемый в массовом строительстве в Уфе, после 70 лет эксплуатации требует комплексной оценки эксплуатационного состояния и основных эксплуатационных свойств материала в конструкции наружной стены.
Исследование процессов и их последствий, а также вызывающих эти изменения причин в структуре силикатного кирпича в одной из наиболее повреждаемой
частей здания — наружной стене жилого дома за длительный период эксплуатации является актуальной задачей. Ее решение позволит прогнозировать поведение материала кирпичных стен из силикатного кирпича в последующий период эксплуатации и оценить остаточный эксплуатационный ресурс здания.
В период 2006—2008 гг. специалистами кафедры «Строительные конструкции» УГНТУ в Уфе были проведены натурные обследования более 80% (около 600 объектов) 4-5-этажных жилых домов из силикатного кирпича постройки 1940-1970-х гг. с фотофиксацией характерных повреждений и дефектов наружных стеновых конструкций. По результатам обследований и анализа состояния были выявлены основные деструктури-рующие факторы [1, 2], воздействующие на силикатный кирпич в конструкциях наружных стен:
— попеременное увлажнение и высыхание поверхностного слоя стены, вызывающее неравномерные объемные деформации набухания-усадки, приводящее к развитию внутренних напряжений и локальным структурным повреждениям, деструкции материала. Природа этого механизма связана с увлажнением наружной стены косым дождем и конденсатообразо-ванием;
— процессы замораживания-оттаивания, сочетающиеся с поверхностным увлажнением, приводящие к деструкции и деградации поверхностных слоев материала;
— изменения, вызванные воздействием углекислого газа воздуха на структуру носителя прочности силикатной фазы — гидросиликатной связки;
— глубокое объемное увлажнение стены (как правило, подкарнизной и подоконной зон), связанное с интенсивным попаданием влаги при нарушениях кровли и подоконных водоотливов, нарушениях общих систем водостоков. В сочетании с замораживанием и оттаиванием силикатная кладка в этих условиях подвергается коррозии и массированному разрушению.
Особое место среди механизмов разрушения силикатной кладки связано с глубоким увлажнением массива кладки на большую глубину из-за дефектов кровли и подоконной защиты. Сочетание глубокого проникновения влаги с замораживанием-оттаиванием в переходные периоды года приводит к интенсивному размораживанию кладки на большую глубину. Восстановление несущей способности и ремонт кладки наружных стен в данном случае связаны с переборкой кладки и ее заменой на новый полнотелый силикатный или керамический кирпич.
Оценка состояния силикатного кирпича и кладочного раствора в конструкциях наружных стен в лабораторных и натурных условиях была проведена на образцах 1940-х, 1970-х и 2000-х гг. с диагностикой изменения основных физико-химических и физико-механических параметров процессов.
научно-технический и производственный журнал
400 350 300 250 200 150 100 50 0
550 500 450 400 350 300 250 200 15010050 0
550 500 450 400 350 300 250 200 15010050 0
1 - а-кварц (SiO2)
2 - тобермонит (С^5Н55)
3 - ксонотлит (С^6Н)
4 - гиролит (С2S3H2 5)
5 - кальцит (СаС03)'
а) Минералогический состав силикатного кирпича 1940-х гг.
43
2 42 3
'5 31 42, 3 12 5 43
40 45 50 55 60
65
70
1 - а-кварц ^Ю2)
2 - тоберморит (С^5Н55)
3 - ксонотлит (С^6Н)
4 - розенханит (С^3Н)
5 - гиролит (С^3Н2 5)
6 - кальцит (СаС03)
42 Лыь
1
,6 I1; 416 22346 6^5
35 40 45 50
б) Минералогический состав силикатного кирпича 1970-х гг.
26
40 45 50
1 - а-кварц ^Ю2)
2 - портландит (Са(ОН)2)
3 - гиллебрандит (С2SH117)
4 - афвиллит (СзS2H5 6)
5 - фошагит (С5SзH6),
6 - тобермонит (С6S5H5 5)
7 - ксонотлит (С6S6H)
66)
55
60
—I—
65
70
в) Минералогический состав силикатного кирпича 2010 г.
66
8 - гиролит (С^Н.
9
^^Вб 2 751^195341^6 7 ^ 8^15 3 72^ ^
30 35 40 45 50 55 60
9 - кальцит (СаС03)
20
25
40 45 50 Рис. 1. Минералогический состав проб силикатного кирпича
Обследованиями установлено, что глубина полностью деструктурированного поверхностного слоя элементов кладки наружной стены, вызванного попеременным увлажнением-высыханием в летний и замораживанием-оттаиванием в переходные периоды (осень—зима, зима—весна), а также карбонизацией и перекристаллизационными процессами в гидросиликатных фазах структуры силикатного кирпича, на объектах 1970-х гг. составляет 3—4 мм, на объектах 1940-хх гг. — 8—10 мм. За пределами деструктурирован-ного слоя структура силикатного кирпича практически сохраняет прочность и жесткость.
Интенсивную деструкцию поверхностного слоя можно объяснить действием механизма коррозии II вида по Москвину. В данном случае содержащаяся в воде углекислота (Н2СО3), проникая в структуру разуплотненного силикатного материала, где в силу развития внутренних напряжений от воздействия попеременного увлажнения-высыхания и замораживания-оттаивания произошла частичная деструкция материала, образует растворимый гидрокарбонат кальция Са(НС03)2, который, диффундируя к наружной поверх-
ности кирпича, вымывается дождевой водой, снижает относительное содержание кальцита в этой зоне кирпича с его полной деструкцией.
Прочность при сжатии образцов силикатного кирпича лицевого слоя кирпичной кладки за пределами деструктурированного слоя наружной стены жилых домов начала 1940-х — середины 1950-х гг. в среднем составила 8,4 МПа, начала 1960-х — середины 1970-х - 10,9 МПа. Учитывая то, что с конца 1940-х — начала 190-х гг. промышленное производство силикатного кирпича велось по действующему в то время ГОСТ 379—53 и для кладки наружных стен применялся лицевой кирпич марки 100, а с середины 1960-х по ГОСТ 379-69, повысивший требования к облицовочному кирпичу до марки 125, можно сделать вывод о применении в лицевом слое кладки на объектах 1940—1950-х гг. силикатного кирпича марки около 100, а на объектах 1960—1970-хх гг. — марки 125. Это согласуется с результатами испытаний на изделиях, взятых из наружных стен жилых домов.
Предел прочности при сжатии кладочного раствора на объектах 1940-х гг. постройки в среднем составил 5,6 МПа, 1970-х — 7,4 МПа. На образцах силикатного кирпича 1940-х гг. также было проверено сцепление кирпича с кладочным цементно-песчаным раствором. Прочность раствора на отрыв составила в среднем 1,26 кгс/см2 при адгезионном характере разрушения.
Рентгенофазовым и дифференциально-термическим анализом проб, взятых на глубине 25 мм от наружной поверхности силикатного кирпича 1940-х, 1970-х гг., установлено, что минералогический состав материала, в основном представлен (рис. 1, 2 а, б) а-кварцем, низкоосновными гидросиликатными структурообразующими фазами (ксонотлит С6S6H, тоберморит С6S5H5 5, гиролит С^3Н25) с соотношением СаО^Ю2 < 1.1) и кальцитом (СаСоЗ). Минералогический состав современного кирпича (производства 2010 г.), взятого для сравнения, представлен (рис. 1 и 2 в) а-кварцем и преимущественно средне — и высокоосновными гидросиликатами (гиллербран-дит (С^Н 17), фошагит (С5SзH6), афвиллит (СзS2H5 6)) со степенью основности СаО^Ю2 > 1,1 и в малой стеж-ни низкоосновными гидросиликатными фазами, а также портландитом Са(ОН)2 и следами кальцита.
65
70
0
50 тт
Рис. 2. Дериватограммы образцов силикатного кирпича
0
50 тт
50 тт
35
5
научно-технический и производственный журнал фтрО/ГГ'" Ш£1гШ@
ноябрь 2011 ы ®
Перекристаллизация и объемные изменения в структурообразующих гидросиликатных фазах силикатных материалов при карбонизации (по данным [3, 4])
Реакции карбонизации Исходные продукты до карбонизации Кристаллические продукты реакций перекристаллизации Коэффициент изменения объема кристаллической фазы
Молекулярная масса, тх Плотность, Ух, г/см3 Молекулярная масса, ту Плотность, Уу, г/см3
1 2 3 4 5 6
1 Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О 74,09 2,23 100,09 2,71 1,111
2.1 (гиллебрандит) => (ксонотлит) 6С^Н117 + 6С02 = С^6Н+6СаСО3 + 6Н 2.2 (ксонотлит) С^6Н + 6СаСО3 + 6Н + 6С02 => 12СаСО3 + 6SЮ2 + 7Н 1159,8 2,64 714,96 600,54 1201,1 2,69 2,71 2,71 1,11 1,01
3.1 (фошагит) => (ксонотлит) 2С^3Н3 + 4С02 = С^6Н + 4СаСО3 + 5Н 3.2 (ксонотлит) С^6Н + 4СаСО3 + 5Н + 6С02 = 10СаСО3 + 6SЮ2 + 6Н 1029,28 2,67 714,96 400,36 1000,1 2,69 2,71 2,71 1,073 0,957
4.1 (афвиллит) => (ксонотлит) 3С^2Н3 + 3С02 = С^6Н + 3СаСО3 + 8Н 4.2 (ксонотлит) С6S6H + 3СаСО3 + 8Н + 6С02 = 9СаСО3 + 6£5iC62 + 9Н 1027,14 2,64 714,96 300,27 600,54 2,69 2,71 2,71 0,994 0,877
5 (ксонотлит) С^6Н + 6С02 = 6СаСО3 + 6SiO2 + Н 714,96 2,69 600,54 2,71 0,834
6 (риверсайдит) С5S6H3 + 5С02 = 5СаСО3 + 6SiO2 +Н3 694,98 2,6 500,45 2,71 0,691
7 (тоберморит) С^5Н55 + 5C02=5СаС03+6Si02+5,5Н20 739,8 2,43 500,45 2,71 0,606
8 (гиролит) С^3Н25 + 2С02 = 2СаСО3 + 3SiO2 +Н25 328,4 2,4 200,18 2,71 0,54
Отметим, что все образцы (1940-х, 1970-х и 2010 гг.), отобранные для исследования, взяты на объектах, имевших одного и того же поставщика силикатного кирпича (ОАО «Башкирский кирпич», ранее ОАО «УКСМ»), работавшего все эти годы в основном на сырье одних карьеров.
При изучении минералогического состава проб силикатного кирпича по данным рентгенограмм (рис. 1) и дериватографии (рис. 2) было отмечено, что частота и интенсивность пиков на рентгенограммах и отчетливо выраженные эндоэффекты на дериватограммах у кальцита (СаСО3) увеличиваются в направлении образцов более раннего возраста (1970-е ^ 1940-е гг.), что отражает происходящие в кирпиче процессы карбонизации (рис. 3).
Наблюдаемое количественное увеличение низкоосновных гидросиликатов и кальцита в кирпиче более позднего периода , связанное с двухстадийным протеканием процессов перекристаллизации высокоосновных гидросиликатов кальция в низкоосновные (первая стадия — реакции 2.1, 3.1, 4.1, указанные в таблице) и далее под влиянием СО2 в кальцит (вторая стадия — реакции 2.2, 3.2, 4.2, 5, 6, 7, 8), подтверждается результатами рентгенофазового и дифференциально-термического исследований проб образцов силикатного кирпича с разными сроками эксплуатации. На принципиальный характер двухстадийности подобных процессов в силикатных структурах указывается также в работах [3—5].
Расчеты, касающиеся процессов перекристаллизации основных структурообразующих фаз силикатного кирпича, представлены в таблице.
Соответствующие расчетные оценки прочностных характеристик кладки стен позволяют сделать вывод о снижении прочности стены в длительный период эксплуатации («70 лет) за счет уменьшения эффективного сечения на 7—12 %, снижения прочности облицовочного кирпича до 15—20%. Состояние материалов (кирпича и кладочного раствора) более глубоких слоев кладки наружных стен зданий находится в значительно лучшем или даже в практически исходном состоянии, что подтверждается нашими обследованиями состояния большого числа жилых объектов.
12
10
О о
56
- 11,2 44 -
- 8,7 -
22
— ш 4,5
| |
60
50
▲
5 о
Я а
40 д |
£ *
5 £
30 <2 ¡3
20ф о
¿3 ^
10
1
1940-х гг.
2
1970-х гг.
3
2010 г.
Рис. 3. Относительное содержание кальцита в пробах силикатного кирпича разного возраста (на глубине 25 мм от наружной поверхности стены)
8
6
4
2
0
0
научно-технический и производственный журнал
Анализ результатов проведенных физико-механических и физико-химических исследований позволяет сделать вывод, что наружная стена в силикатном кирпиче после 50—70 лет эксплуатации в основном сохраняет свои эксплуатационные характеристики с уровнем потерь несущей способности в пределах 10—15%. Продление эксплуатационного ресурса наружной стены из силикатного кирпича возможно путем ее защиты гидроизоляционными материалами (штукатурные системы, гидрофобные проникающие композиции) в идеале в сочетании названных систем гидрозащиты с системой фасадной теплоизоляции. Такие системы должны обладать необходимой паропроницаемостью и обеспечивать требования нормативов по температурно-влажностному состоянию стены за зимние месяцы и годовой период. В этом случае конструктив наружной стены будет защищен от внешних воздействий и переведен в режим щадящей эксплуатации, что существенно продлит долговечность наружной стены и позволит снизить энергозатраты объекта на отопление.
В рамках республиканской программы по капитальному ремонту многоквартирных жилых домов в течение 2008—2010 гг. санация наружных стен с утеплением была апробирована более чем на 40 крупноформатных 4-5-этажных объектах из силикатного кирпича. Общий объем утепленных зданий позволяет оценить экономию энергоресурсов, затрачиваемых на отопление этой категории домов. На жилых домах общей площадью порядка 150-200 тыс. м2, где реализовано утепление наружных стен, замена оконных блоков на современ-
ные стеклопакеты, экономия за 2-3 года эксплуатации составила порядка 18 тыс. т усл. топлива при удельной годовой экономии тепла в 25-30 кг усл. топлива на 1 м2 общей площади.
Ключевые слова: карбонизация структурообразующих гидросиликатных фаз, поврежденность наружных стен, уровни санации, эксплуатационная надежность.
Список литературы
1. Бабков В.В., Самофеев Н.С., Проторчин Р.В., Сады-ков И.М. Реализация программы комплексной санации жилых домов постройки 1950-1980 гг. в Республике Башкортостан // Жилищное строительство. 2010. № 4. С. 22-26.
2. Бабков В.В., Самофеев Н.С. Состояние силикатного кирпича в наружных стенах жилых домов после длительной эксплуатации // Инженерные системы. 2011. № 5. С. 25-28.
3. Силаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. М.: Стройиздат, 1986. 176 с.
4. Бабков В.В., Кузнецов Д.В., Сахибгареев Р.Р. Проблемы долговечности автоклавного газобетона // Башкирский химический журнал. 2006. С. 12-14.
5. Кржеминский С.А., Судина Н.К., Кройчук Л.А., Варламов В.П. Автоклавная обработка силикатных изделий. М.: Стройиздат, 1974. 160 с.
ШКОКСЮ
гпрнп-рыпняя камплнил
ТОО «Горно-рудная компания «Коксу» является производителем минерального сырья известного под торговой маркой Таурит, применяемого в производстве строительных материалах в качестве пластификатора и стойкого
природного пигмента
Таурит марки «ТС-Д» применяется в качестве пластификатора и стойкого пигмента в производстве: тротуарной плитки, бордюров, брусчатки, поребрика, силикатного кирпича и других строительных изделий на основе цементной и известково-песчаной смеси. Таурит марки «ТС-Д» обеспечивает:
• повышение морозостойкости готовой продукции;
• объемный стойкий цвет, от серого до темно-серого оттенка;
• предотвращение выхода солей на поверхность строительных материалов;
• ускорение схватывания цемента;
• повышение износостойкости продукции.
Производственная технологичность Таурита марки «ТС-Д»
определена следующими свойствами:
• легко совмещается и диспергируется в смеси, как при сухом смешивании, так и при подготовке жидкого пигмента в силикатом производстве;
• равномерно распределяется в общей массе смеси;
• не агрегирует (не образует трудно-перемешиваемого осадка);
• снижает себестоимость производства за счет сокращения затрат и времени изготовления продукции;
• снижает пыльность производства;
• является экологически чистым материалом;
• безопасен для здоровья рабочих.
Экономическая эффективность применения Таурига марки «ТС-Д»:
• в качестве пигмента заменяет дорогостоящие марки технического углерода и пигментов;
• в качестве пластификатора заменяет дорогостоящие пластификаторы зарубежного производства;
• расчет экономии применения Таурита определяется соотношением стоимости Таурита и заменяемых ингредиентов.
Рекомендуемые нормы расхода Таурита марки «ТС-Д»:
• в качестве пигмента цвета: 3 —5% от массы смеси.
• в качестве пластификатора: 5% от массы цемента в зависимости от технологии производства.
040000, Республика Казахстан Алматинская область, г. Талдыкорган, ул. Жансугурова, 157 Тел.: +7-7282-242232 Факс: +7-7282-248010 e-mail: koksu@koksu.kz www.koksu.kz
Реклама
научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~J\ilj■\i>\Z 10 ноябрь 2011 ы ®
